人机协作装配可以降低人类的工作强度,提高装配自动化水平。高效安全的装配不仅需要人类和机器人之间的合理分工,还需要在装配过程中的密切沟通和灵活控制。本文提出了一个面向人机协作装配的数字孪生框架,并分别就设计过程任务模型驱动的集成任务序列规划与分配问题,和运行过程中的控制与映射问题开展了研究,最后以卫星装配体为实验对象开展地面实验。本文主要研究内容如下:提出了人机协作装配数字孪生框架。通过物理实体、虚拟实体、孪生数据、服务中心和它们的连接五个部分相互配合,实现了装配过程中完整映射-实时同步-迭代优化的闭环。本文将装配过程分为装配前的设计过程和装配过程中的运行控制两个部分,并基于总框架分别提出了设计和运行过程的子框架。针对设计过程中任务分配等问题,提出了一种基于遗传算法的人机协作装配顺序规划和任务分配的方法。该方法同时考虑了规划问题和分配问题。首先将零件装配过程分解为定位任务和连接任务,由此构建了一个双任务多属性任务优先约束图模型。最后确定总装配时间、总人机等待时间、总装配复杂度和连贯性作为综合优化目标,采用遗传算法进行求解。针对运行过程中的控制与映射等问题,提出了实物装配过程中以虚映实的方法。其中,零件空间位姿虚实映射是通过二维码识别、单目标定、手眼标定三个步骤依次计算完成的;机器人位姿实时跟踪与映射是通过实体机械臂、V-REP虚拟机械臂、控制中心三者的协作通讯完成的。以卫星板件为实验对象,开展布局设计、装配序列规划与任务分配、人机协作实际装配、装配过程中零件位姿识别、装配过程中轨迹实时规划、控制与映射等实验。验证了所提出框架的可运行性、算法的合理行和控制方法的可行性。